Definiciones básicas

Mutación génica: alteraciones puntuales en la secuencia de nucleótidos de un gen.

Mutación genómica: alteración del número de cromosomas de una especie (por exceso o por defecto); afecta a cromosomas completos o a juegos cromosómicos completos.

Mutación cromosómica: cambios en la estructura interna de los cromosomas (afectan a un segmento de un cromosoma que incluye varios genes), sin alteración en su número (afectan al orden de los genes en el cromosoma).

Locus: es el sitio físico del cromosoma donde se localiza un gen.

Tipos de mutaciones génicas

1.A. Por sustitución de bases: se cambia una base por otra. Se altera un triplete del gen. En muchos casos no se altera la función de la proteína y no hay consecuencias graves. Se clasifican en transiciones y transversiones. Si el cambio afecta a un aminoácido del centro activo de una enzima o a un codón de terminación, sí habrá consecuencias perjudiciales.

1.B. Por deleción/pérdida o inserción de nucleótidos: se produce una alteración en la lectura de los tripletes (cambio de marco de lectura). Suele tener consecuencias graves.

Mutaciones génicas por sustitución de bases

• Transiciones: cambio de una purina por otra purina, o de una pirimidina por otra pirimidina.
• Transversiones: cambio de una purina por una pirimidina o viceversa.

¿Consecuencias?

• Puedes cambiar la secuencia de aminoácidos si el nuevo codón codifica para otro aminoácido o para un codón de terminación.
• Puede no ocurrir nada si la mutación genera un codón que codifica para el mismo aminoácido (mutación silenciosa).

Causas de las mutaciones génicas

• Errores de lectura durante la replicación del ADN.
• Lesiones fortuitas del ADN (por ejemplo: la radiación solar puede provocar la formación de enlaces covalentes entre dos timinas: dímeros de timina).
• Transposiciones: cambios de posición espontáneos de segmentos de ADN («genes saltarines» o transposones). Se produce una deleción en la zona de origen y una inserción en la zona de destino.

Reparación de las mutaciones génicas durante la replicación del ADN

La ADN polimerasa realiza el proceso de corrección de pruebas (proofreading). Este mecanismo se basa en la actividad exonucleasa de la ADN polimerasa: reduce la posibilidad de cometer errores. La enzima, antes de añadir un nuevo nucleótido, comprueba si el que ha añadido anteriormente es correcto; si no lo es, lo retira y lo sustituye por el que corresponde. Además, las enzimas que constituyen los sistemas de reparación revisarán el ADN recién sintetizado y repararán las posibles lesiones, disminuyendo la proporción de errores.

Mutaciones cromosómicas

Son alteraciones en la secuencia de los genes dentro de los cromosomas; provocan cambios en la estructura interna de los cromosomas.

Tipos de mutaciones cromosómicas

• Duplicación: repetición de un fragmento de un cromosoma. Aparecen copias adicionales de genes (favorece el proceso evolutivo).
• Deleción: pérdida de un fragmento del cromosoma. Ejemplo: cromosoma 5 – síndrome cri du chat en niños (microcefalia, llanto semejante a un maullido de gato).
• Inversión: cambio de orientación de un fragmento del cromosoma. Puede tener consecuencias negativas para la descendencia al afectar la formación de gametos durante la meiosis.
• Translocación: intercambio de segmentos entre dos cromosomas no homólogos. Pueden afectar a los descendientes.

Replicación del ADN

1º Fase de iniciación

Una secuencia de nucleótidos en el ADN, el origen de replicación, actúa como señal de inicio del proceso. La enzima helicasa rompe los enlaces de hidrógeno entre las dos hebras complementarias y las separa. El proceso es bidireccional: una helicasa trabaja en un sentido y otra en sentido contrario. Se forma la horquilla de replicación. Las dos horquillas enfrentadas forman la burbuja de replicación. Las enzimas topoisomerasas eliminan las tensiones y los superenrollamientos que se producen en la molécula al desenrollarse la doble hélice.

2º Fase de elongación y terminación

• La primasa (ARN primasa) sintetiza un fragmento corto de ARN (primer) que actúa como cebador.
• A continuación, la ADN polimerasa III sintetiza una nueva hebra de ADN en sentido 5’→3′. Esta será la hebra conductora (leading strand).
• En la hebra antiparalela, la primasa sintetiza primers periódicos; a partir de estos, la ADN polimerasa III sintetiza fragmentos de aproximadamente 1000 nucleótidos en procariotas (los fragmentos de Okazaki).
• Seguidamente, la ADN polimerasa I retira los fragmentos de ARN y los rellena con nucleótidos de ADN.
• Finalmente, la ADN ligasa une los fragmentos de ADN recién sintetizados, formando la hebra retardada (lagging strand), que tiene un crecimiento discontinuo.
• La ADN polimerasa II interviene en la corrección de daños causados por agentes físicos.

Duplicación del ADN en eucariotas

• El ADN está asociado a histonas formando nucleosomas.
• La longitud del ADN de un cromosoma eucariótico es mucho mayor que en procariotas.
• El proceso de replicación es más lento en eucariotas.
• Se forman aprox. 100 burbujas de replicación por cromosoma (no solo un origen de replicación). Estas se activan de forma coordinada formando replicones (1 replicón = unidad de replicación: la longitud de ADN que contiene un origen y un final de replicación). En contraste, todo el cromosoma circular bacteriano constituye un único replicón.
• Los fragmentos de Okazaki son más pequeños en eucariotas.

Transcripción

Transcripción: es el paso de ADN a ARN. Definición: proceso en el que, a partir de la secuencia de nucleótidos de un gen (ADN), se sintetiza un ARN mensajero mediante la unión de nucleótidos de ARN complementarios.

Localización:

• En células eucariotas: se realiza en el núcleo, y también en mitocondrias y cloroplastos (estos orgánulos tienen su propio ADN y maquinaria de transcripción).
• En células procariotas: se realiza en el citoplasma.

Transcripción en procariotas

1. Fase de iniciación: la ARN polimerasa se fija al promotor (región de ADN que determina el inicio de la transcripción) y comienza la síntesis de ARN sobre la hebra patrón.
2. Fase de elongación: la ARN polimerasa recorre la hebra patrón y sintetiza la cadena de ARN en sentido 5’→3′.
3. Finalización: la ARN polimerasa reconoce la región terminadora; con frecuencia se forma una estructura en horquilla en el ARN que provoca la liberación del transcrito y el enrollamiento del ADN en doble hélice.
4. Maduración: en procariotas, si se sintetiza un ARNm generalmente no sufre maduración y se traduce directamente; los transcritos de ARNr y ARNt pueden requerir procesamiento adicional.

Transcripción en eucariotas

1. Fase de iniciación: la ARN polimerasa II se fija al promotor, que incluye secuencias de consenso como CAAT y TATA. Se requiere un complejo de iniciación formado por factores de transcripción.
2. Fase de elongación: la ARN polimerasa II recorre la hebra patrón y sintetiza la cadena de ARN en sentido 5’→3′. En el extremo 5′ del pre-ARNm se añade una capucha (metil-guanosina trifosfato, m7Gppp).
3. Finalización: existe una señal de poliadenilación (secuencia AAUAAA en el pre-ARNm) que dirige el corte y la adición de la cola poli-A por la poli(A) polimerasa en el extremo 3′.
4. Maduración: en el pre-ARNm se eliminan los intrones (secuencias no codificantes) y se empalman los exones (secuencias codificantes) mediante el complejo de empalme (spliceosoma), dando lugar al ARNm maduro.

El código genético

Se establece una correspondencia entre los tripletes de nucleótidos del ARNm y los aminoácidos que forman las proteínas.

Características del código genético:

• Degenerado: varios tripletes pueden codificar para el mismo aminoácido.
• Algunos tripletes son codones de terminación y no codifican para ningún aminoácido: UAA, UAG, UGA.
• El triplete AUG marca la señal de inicio de la traducción y codifica para metionina (Met).
• Ventaja: si se produce algún error al copiar un nucleótido, la redundancia del código puede mantener la correspondencia entre el triplete y el aminoácido (mutaciones silenciosas).
• El código es casi universal: lo utilizan casi todos los seres vivos conocidos, con algunas excepciones en determinados orgánulos y algunas bacterias.

Traducción

Definición: síntesis de una proteína mediante la unión de los aminoácidos indicados en la secuencia de nucleótidos del ARNm obtenido en la transcripción.

Localización: ribosomas en el citoplasma.

Tipos de ARN:

• ARNm: lleva la información genética (transcrita a partir del ADN) hasta los ribosomas.
• ARNr: forma parte del ribosoma.
• ARNt: transporta los aminoácidos a los ribosomas, según la secuencia de bases del ARNm que se va a traducir.

Etapas principales de la traducción

La traducción se lleva a cabo en tres etapas: activación de aminoácidos, iniciación, elongación y terminación.

Activación de los aminoácidos

• Los aminoácidos se asocian con su correspondiente ARNt formando un aminoacil-ARNt (se une el grupo carboxilo del aminoácido –COOH con el grupo hidroxilo del extremo 3′ del ARNt).
• Interviene la enzima aminoacil-ARNt sintetasa y el proceso requiere ATP. Se libera AMP y fosfato inorgánico, y la enzima queda libre para actuar nuevamente.

2.1 Fase de iniciación de la traducción

• El ARNm se une a la subunidad menor del ribosoma.
• El ribosoma se mueve hasta que encuentra el codón de iniciación: 5’…AUG…3′.
• Un aminoacil-ARNt iniciador con anticodón 3’…UAC…5′ se une a ese codón y transporta la metionina (en procariotas la initiator puede portar formilmetionina).
• Se une la subunidad mayor del ribosoma y se forma el complejo activo de iniciación. Este proceso requiere energía en forma de GTP.
• El ARNm puede ser traducido por varios ribosomas simultáneamente (polirribosomas), uno detrás de otro.

2.2 Fase de elongación de la traducción

Llega el siguiente aminoacil-ARNt. El grupo carboxilo (–COOH) del primer aminoácido se une con el grupo amino (–NH2) del aminoácido siguiente mediante un enlace amida (CO–NH): el enlace peptídico. La enzima peptidil transferasa (actividad del ARNr en la subunidad mayor) cataliza esta reacción. Se requiere energía aportada por GTP y la participación de factores de elongación.

2.3 Fase de terminación de la traducción

La finalización de la síntesis de proteínas está determinada por la presencia de alguno de los tripletes de paro: UAA, UAG, UGA. No existe un ARNt con anticodón complementario a estos tripletes; en su lugar actúan factores de liberación que promueven la hidrólisis del enlace entre el polipéptido y el ARNt, liberando la cadena polipeptídica. Posteriormente, el ARNm y las dos subunidades ribosómicas se disocian.

Diferencias entre procariotas y eucariotas

• En procariotas, el ARNm no suele experimentar maduración y puede comenzar a traducirse incluso antes de que termine su síntesis (transcripción y traducción acopladas).
• En eucariotas, el pre-ARNm se sintetiza en el núcleo y sufre un proceso de maduración antes de salir al citoplasma. En el extremo 5′ lleva una capucha de metil-guanosina (m7Gppp) que ayuda a que los ribosomas identifiquen el inicio del ARNm; a continuación se encuentra la región 5′ no traducida (región líder), que no se traduce.

Asociación y plegamiento de proteínas

Según se sintetiza la cadena polipeptídica, va adoptando estructuras secundaria y terciaria. Una vez terminada la traducción, algunas proteínas ya son funcionales; otras necesitan unirse a iones o coenzimas, sufrir plegamiento asistido por chaperonas o ensamblarse con otras cadenas para ser activas. Las proteínas pueden estar constituidas por una o varias cadenas polipeptídicas y la asociación de varias cadenas forma proteínas multimericas.